Messung stabiler Isotope des CO₂ in Luft

Eine Möglichkeit, etwas über die Quellen und Senken von Kohlendioxid (CO₂) in der Luft zu erfahren, ist die Betrachtung der Isotopenverhältnisse von Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O). Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern umgeben von negativ geladenen Elektronen. Genauer betrachtet, enthält der Atomkern eines Elementes eine festgelegte Anzahl positiv geladener Protonen und eine variable Anzahl ladungsloser Neutronen. Diese Isotope eines Elements unterscheiden sich in ihrer Masse, wobei die chemischen Eigenschaften dadurch nicht verändert werden. Verschiedene physikalische Prozesse laufen für Moleküle mit leichteren Isotopen schneller ab, wie z.B. die Photosynthese. Daher enthält das CO₂ aus verschiedenen Quellen (z.B. Kohle, Gas, Zementherstellung) verschiedene charakteristische Anteile der unterschiedlichen Isotope. Die in unserem Labor gemessenen Verhältnisse der stabilen Isotope δ(¹³C/¹²C) und δ(¹⁸O/¹⁶O) im CO₂ der Atmosphäre können Hinweise auf Prozesse geben, die die Konzentration des CO₂ mitbestimmt haben. Zusätzlich kann im Zentralen Radiokohlenstoff Labor in Heidelberg über das δ(¹⁴C/¹²C) Verhältnis eine Alterseinordnung des Kohlenstoffs im CO₂ durchgeführt werden. Da radioaktives ¹⁴C in fossilen Materialien bereits komplett zerfallen ist, kann der Anteil des anthropogen emitierten CO₂ damit identifiziert werden.      

Die an den Messtationen gesammelten Luftproben werden mit einem speziellen Massenspektrometer zur Bestimmung von Isotopen-Massenverhältnissen (ThermoFischer MAT253) analysiert. Um den hohen Probendurchsatz bei gleichzeitiger hoher Präzision und umfangreicher Dokumentation des Messprozesses zu bewältigen, haben wir das Messgerät und die selbstentwickelte Probenaufbereitungsapparatur komplett automatisiert.

Zur Vorbereitung der Messung wird Probenluft durch eine Kühlfalle geleitet, in der das CO₂ der Luft ausgefroren wird. Nach wiederauftauen wird das reine CO₂ aus der Luft in das Massenspektrometer geleitet und mit einem Glühdraht ionisiert. Die elektrisch positiv geladenen CO₂ Moleküle werden über ionenoptische Elemente zu einem Strahl fokussiert, durch einen Magneten geleitet und mit massenspezifischen Detektoren nachgewiesen. Die Massenauftrennung erfolgt mit einem starken Elektromagneten, der die Ionen nach ihrem Masse zu Ladungsverhältnis trennt. Aus den Intensitätsverhältnissen der CO₂ Moleküle mit den Massen 44, 45 und 46 lassen sich die Isotopenverhältnisse von ¹³C/¹²C und ¹⁸O/¹⁶O berechnen. Um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen, werden alle Proben immer abwechselnd mit einer internen Referenz aus reinem CO₂ gemessen. Gleichzeitig und unter denselben Bedingungen werden mit den Proben Luftstandards mit genau definierten ¹³C/¹²C und ¹⁸O/¹⁶O Verhältnissen mitgemessen. Aus diesen Luftstandards wird die

Die Isotopen Verhältnisse werden als Abweichung von einem Referenzstandard in der einheitenlosen δ-Notation in [‰] = 0.001 angeben (δ(¹³C)= δ (¹³C/¹²C) =((¹³C/¹²C)_Probe – (¹³C/¹²C)_Referenz)/(¹³C/¹²C) _Referenz)) und d (¹⁸O)= δ(¹⁸O/¹⁶O) =((¹⁸O/¹⁶O)_Probe – (¹⁸O/¹⁶O) _Referenz)/(¹⁸O/¹⁶O)_Referenz). Alle Messungen beziehen sich auf das Isotopenverhältnisses von CO₂ des Referenzmaterials, einem in Säure aufgelösten, speziellen Kalkstein (Vienna Pee Dee Belemnite). Reines Referenz-CO₂ für δ(¹³C) und δ(¹⁸O) Messungen wird im zentralen Kalibrationslabor in einem standardisierten Prozess aus dem Referenzmaterial hergestellt und in ein der Luftzusammensetzung gleiches Gasgemisch überführt. Das zentrale Kalibrierlabor der WMO für δ(¹³C) und δ(¹⁸O) Messungen an CO₂ in Luft ist das BGC-IsoLab am MPI für Biogeochemie in Jena. Die Übereinstimmung der Skalen zwischen den Messnetzen wird regelmäßig durch Ringversuche überprüft. Dabei werden dieselben Luftproben an verschiedenen Laboren weltweit vermessen. Die Vergleichbarkeit der Messergebnisse soll bestimmte Werte nicht überschreiten, die von der WMO Expertengruppe als Zielübereinstimmung (compatibility goals) definiert werden. Für CO₂ in Luft ist es das Ziel, Messungen mit einer Vergleichbarkeit von δ(¹³C) auf ±0.02‰ = 0.00002 und δ(¹⁸O) auf ±0.05‰ = 0.00005 zu erreichen.

Die Messergebnisse werden innerhalb ICOS an das Atmospheric Thematic Center in Paris/Frankreich geliefert und über das ICOS Carbon Portal in Lund/Schweden der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.